影響Pt100溫度傳感器熱響應時(shí)間的因素

摘要:隨著(zhù)高速鐵路的飛速發(fā)展，軌道車(chē)輛安全可靠性受到了人們的高度關(guān)注。Pt100溫度傳感器是車(chē)輛監測系統的重要組成部分，其性能直接關(guān)系到車(chē)輛運行的安全性和可靠性。針對影響熱響應時(shí)間的幾個(gè)因素展開(kāi)分析，希望能為相關(guān)人員日后工作的順利進(jìn)行提供參考。影響熱響應時(shí)間的因素包括，核心元件的影響，即Pt100自身封裝結構及其性能;材料介質(zhì)影響，即傳感器內部灌封材料的影響;機械結構影響，即傳感器殼體結構參數;測量方法影響，即測試方法對熱響應參數的影響。
1背景闡述
　　溫度傳感器內部敏感元件采用精度較高的Pt100,其測試范圍廣、穩定性好、測量精度高，常用于測試-50~+250℃的溫度介質(zhì)。隨著(zhù)軌道車(chē)輛監測系統的要求越來(lái)越高，對溫度傳感器的要求也越來(lái)越高。其中,熱響應時(shí)間對于溫度傳感器是非常關(guān)鍵的參數,它直接影響車(chē)輛檢測系統對安全信息的判斷。本文主要結合產(chǎn)品設計和驗證，對影響熱響應時(shí)間參數展開(kāi)分析。
2軌道車(chē)輛鉑電阻溫度傳感器基本結構
　　軌道車(chē)輛Pt100溫度傳感器主要是由探頭體端和電氣連接部分組成的，而影響熱響應時(shí)間的主要是探頭體端結構。探頭體端一般由結構件、敏感元件和灌封材料等組成。結構件,是指作為產(chǎn)品總裝的探頭體;敏感元件,是指將溫度變化轉化為電阻值變化的Pt100;灌封材料，是指用于填充探頭體內部的材料，同時(shí)，它具有導熱絕緣、密封的作用。
3溫度傳感器的測量模型
　　簡(jiǎn)化的軌道交通溫度傳感器鉑電阻模型如圖1所示。
 
　　假設測量介質(zhì)溫度為T(mén)0.鉑電阻敏感元件溫度為T(mén)2.敏感元件與保護層接觸熱阻為R2,熱容為C2,保護層溫度為T(mén)I,與外界的換熱熱阻為RI,熱容為CI,則保護層內溫度變化應滿(mǎn)足式(1),即:
 
　　根據以上公式可以得出，固有頻率越大，溫度變化響應越快;阻尼比值大于1,說(shuō)明溫度傳感器響應為過(guò)阻尼。要想提高響應，應盡量減少中間保護層。
4熱響應時(shí)間因素分析
　　軌道車(chē)輛溫度傳感器中的鉑電阻具有一定的體積和比熱容，其與被測介質(zhì)之間達到熱平衡需要一定的時(shí)間，這就導致溫度傳感器響應滯后于溫度變化。
　　軌道車(chē)輛熱響應時(shí)間定義為:當溫度出現階躍變化時(shí)，且階躍值不大于10℃，Pt100溫度傳感器電阻變化至90%.的時(shí)間(21。
4.1核心元件的影響
4.1.1元件自熱
　　在使用Pt100溫度傳感器的過(guò)程中有電流流過(guò),電流會(huì )使敏感元件自身加熱，產(chǎn)品自熱。當Pt100溫度傳感器感受低溫介質(zhì)時(shí).先要消除自身的熱量.然后才能冷至介質(zhì)溫度,這個(gè)過(guò)程需要耗費一定的時(shí)間。
　　常規Pt100測試電流為1mA,1mA測試電流會(huì )使溫度升高約0.05℃，產(chǎn)生的響應時(shí)間非常小，可以忽略不計。同時(shí)，自熱溫升還與封裝結構有關(guān)。Pt100溫度傳感器回路電流一般在幾毫安，實(shí)際使用時(shí)推薦1mA。
4.1.2元件熱滯后
　　敏感元件不能在介質(zhì)溫度變化時(shí)立即響應介質(zhì)溫度.時(shí)間上會(huì )產(chǎn)生滯后，這種滯后也會(huì )影響熱響應時(shí)間。
4.1.3元件結構影響分析
　　Pt100鉑電阻結構封裝結構分為裸裝和鎧裝2種類(lèi)型。在裸裝溫度傳感器中,敏感元件直接與被測介質(zhì)接觸，導熱系數可假設為無(wú)限大。由于測量環(huán)境不同,為了避免或減少被測介質(zhì)被腐蝕，減少機械損傷，固定敏感元件，在敏感元件外層增加一-層保護套，這種結構形式被稱(chēng)為鎧裝。鎧裝溫度傳感器外部保護套材料、壁厚、直徑要根據測試介質(zhì)壓力和腐蝕性選擇，保護套帶來(lái)的熱容和熱阻不可忽略，所以,導熱系數小于裸裝結構。
　　鉑電阻根據引出導線(xiàn)規格分為兩線(xiàn)制、三線(xiàn)制和四線(xiàn)制，下面分別介紹這3種規格的鉑電阻溫度傳感器。
　　兩線(xiàn)制鉑電阻溫度傳感器輸出電阻值為敏感元件電阻值和連接導線(xiàn)電阻之和，導線(xiàn)電阻會(huì )帶來(lái)附加阻值，導致測量精度不高，常用于測量精度不高的場(chǎng)合。
　　三線(xiàn)制鉑電阻溫度傳感器敏感元件引出的三根導線(xiàn)截面積和長(cháng)度均相同。二線(xiàn)制會(huì )減少導線(xiàn)電阻帶來(lái)的附加電阻值，但不能完全消除。
　　四線(xiàn)制引出線(xiàn)中的2根導線(xiàn)用于輸入恒定電流，另外2根導線(xiàn)用于測試阻值輸出。當用于測試元件阻抗足夠高時(shí)，電流幾乎不流過(guò)回路，這樣可正確測量阻值。
4.1.4測量引線(xiàn)
　　鉑電阻與外接電纜連接是通過(guò)測量引線(xiàn)過(guò)渡。在選擇測量引線(xiàn)時(shí)，先要滿(mǎn)足使用溫度，其次要保證電流容量和強度的要求。在滿(mǎn)足這些條件的情況下，應盡可能選用截面積較小的引線(xiàn)，以減少引線(xiàn)熱傳導。
4.2材料介質(zhì)影響分析
4.2.1元件自身填充材料影響
　　考慮到車(chē)輛沖擊振動(dòng)的影響,在鉑電阻鎧裝過(guò)程中加入填充材料，避免敏感元件因抖動(dòng)而造成引腳斷裂。在滿(mǎn)足絕緣的情況下，要選擇熱容小、易灌封材質(zhì).熱導率高的材料。目前，國內常用的敏感元件與引線(xiàn)還需中間環(huán)節連接,填充材料一般選擇耐高溫絕緣不導電介質(zhì)。如果采用Pt100鉑電阻和引線(xiàn)一體式結構，可節省中間環(huán)節連接;填充材料可選擇氧化鋁和氧化鎂,這2種材料顆粒細、熱容小.易于灌封。
4.2.2導熱介質(zhì)影響分析
　　軌道車(chē)輛Pt100鉑電阻溫度傳感器導熱介質(zhì)常選用較高溫度系數的導熱膠,該膠的膨脹系數要小、硬度要小，同時(shí)，灌封工藝對熱響應時(shí)間也會(huì )產(chǎn)生一定的影響。
　　灌封膠在溫度傳感器中要起到固定電纜的作用。為了防止因振動(dòng)沖擊引起的損傷，應選擇硬度較大的灌封膠。
4.3機械結構影響分析
在設計過(guò)程中，要科學(xué)、合理地設計機械結構參數，以.滿(mǎn)足產(chǎn)品總裝和安裝要求，同時(shí)，還要考慮結構參數對熱響應時(shí)間的影響。
4.4測量方法影響分析
　　溫度傳感器熱響應時(shí)間測試方法對熱響應時(shí)間也會(huì )產(chǎn)生一定的影響。本測試系統由恒溫水槽、數字萬(wàn)用表、LabVIEW和二等標準鉑電阻組成。
　　試驗方法是:將傳感器感溫部分放人水流式熱響應裝置中，水流速應保持在(0.4±0.05)m/s,初始溫度在5~35℃的范圍內，溫度階躍值不大于10℃。記錄傳感器電阻變化至90%的熱響應時(shí)間，試驗結果應為同一試驗至少3次測試結果的平均值，每次測試結果對于平均值的偏離應在±10%以?xún)取?br /> 分析測試數據可知，出現誤差的原因主要有2點(diǎn)，一方面是人為因素，在沒(méi)有輔助設備配合的情況下，放入介質(zhì)的起始時(shí)間無(wú)法確定;另一方面為設備帶來(lái)的誤差，數據采集有一定的滯后性。
5結論
　　本文主要研究影響熱響應時(shí)間的因素，先根據測量環(huán)境要求選擇合適的鉑電阻封裝結構，進(jìn)而確定機械結構尺寸和導熱介質(zhì),最后選擇合適測量方法進(jìn)行測量。經(jīng)過(guò)綜合分析,認真研究4個(gè)影響因素,從而為開(kāi)發(fā)更快熱響應時(shí)間溫度傳感器提供理論和試驗依據。